DE2164725C3 - Optischer Datenspeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Datenspeicher nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

In der Technik der Datenverarbeitung werden neuerdings optische Speicher verwendet, bei denen die informationen entweder durch einzelne Bits darstellende geschwärzte und ungeschwärzte Bereiche oder durch größere Anzahlen von Bits enthaltende Hologramme dargestellt werden. Auch magnetische Dünnschichtspeicher sind bekanntgeworden, bei denen das Auslesen der Information durch einen polarisierten Lichtstrahl erfolgt, dessen Polarisationsebene in Abhängigkeit vom Magneiisierur.gszustand des jeweils abgetasteten Bereiches um bestimmte Winkelbeträge gedreht oder nicht gedreht wird. Die in der außerordentlich großen Informationsdichte derartiger Speicher bestehenden Vorteile wurden weitgehend durch die Schwierigkeit einer schnellen Adressierung der einzelnen Speicherbereiche zunichte gemacht Bei den bisher bekanntgewordenen optischen oder optisch auslesbaren Speichern wurde ein Lichtfleck steuerbar auf die jeweils auszulesende Speicherstelle gerichtet, der s entweder durch einen aus einer Kathodenstrahlröhre bestehenden Leuchtfleckgenerator oder durch sog. elektro-optische Lichtablenker erzeugt wurde. Mit diesen bekannten Vorrichtungen konnte die Verschiebung des Lichtflecks im besten Falle innerhalb von ίο io~⁶ Sekunden erfolgen. Diese Geschwindigkeit war für die im Zusammenhang mit modernen Rechenautomaten auftretenden Aufgaben viel zu klein.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1282 342 ist eine Anordnung zum Auslesen eines optischen Speichers bekannt, bei der eine als HeU-Dunkel-Matrix dargestellte Datenmenge durch ein komplexes optisches System vielfach entsprechend der Zahl der vorhandenen Datenelemente abgebildet wird: dazu beaufschlagt ein sehr kurzer Lichtimpuls die Matrix und erzeugt die verschiedenen Abbildungen zeitlich hintereinander. Photodetektoren an den Stellen der Abbildungen liefern somit eine zeitliche Signal-Folge der auf der Matrix parallel aufgezeichneten Datenelemente. Die Zahl der gleichzeitig herstellbaren Abbildungen ist in der Praxis jedoch begrenzt und somit auch die Zahl der schnell auslesbaren Datenelemente.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, einen optischen Datenspeicher anzugeben, der trotz großer Speicherkapazität eine sehr kurze Zugriffszeit aufweist

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung schlägt vor, mehrere als Hologramme ausgebildete Speicherbereiche optisch hintereinanderzuschalten und von einem sehr kurzen Lichtimpuls nacheinander durchlaufen zu lassen. Beim Durchtritt des Impulses durch ein Hologramm wird das darin gespeicherte Datenfeld (Hell-DunkrV-Matrix) auf einer allen Speicherbereichen gemeinsamen Detektormatrix rekonstruiert Die Zugriffszeiten für die Speicherbereiche liegen dabei im Bereich von Nanosekunden und darunter.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anschlie-Bend anhand der Figuren näher erläutert Es zeigt

F i g. I einen optischen Datenspeicher mit einer Detektormatrix,

Fig.2 einen optischen Datenspeicher mit zwei Detektormatrizen.

so Der in Fig. 1 dargestellte optische Datenspeicher besteht aus einem in einer Hologrammebene 1 angeordneten Träger, der eine Vielzahl von die einzelnen Speicherbereiche darstellenden Hologrammen 2a bis 2d und Aperturen 3a bis 3c enthält Beiderseits der Hologrammebene 1 sind Spiegel 5a bis 5c und 8a bis Sd vorgesehen, von denen die ersten auf einem in einer Spiegelebene 4 befindlichen Träger und die zweiten auf der Ebene einer Detektormatrix 6 angeordnet sind. Die Detektormatrix besteht aus einer Vielzahl von Lichtdetektoren 7. Die Mittelpunkte der Spiegel Sa bis 5c liegen ebenso wie die Mittelpunkte der Aperturen 3a bis 3c und der die einzelnen Speicherbereiche darstellenden Hologramme 2a bis 2d in einer Ebene 9. Ferner ist eine als Laser ausgebildete, in der Figur als Lichtsegmente 10 dargestellte Lichtimpulse erzeugende Lichtquelle 11 vorgesehen. Die von dieser Lichtquelle ausgehenden Impulse durchsetzen zunächst das Hologramm 2a und werden anschließend zwischen

den Spiegeln 5« bis 8c/durch die Aperturen 3a bis 3c und die weiteren Hologramme 26 bis 2c/ hin und her reflektiert, um die Anordnung nach der Reflexion am Spiegel 8i/zu verlassen. Beim Durchtritt durch das erste Hologramm la durchsetzt ein Teil des Lichtimpulses den Speicherbereich als nullte Beugungsordnung, während ein anderer Teil des als Lichtsegment 10 dargestellten LJchtimpulsei; eine Abbildung der im Hologramm 2# enthaltenen verschlüsselten Information auf die Detektormatrix 6 bewirkt Die nullte Beugungs-Ordnung IC des Lichtimpulses wird am Spiegel Sa reflektiert, tritt ungestört durch die Apertur 3a, wird am Spiegel 5a reflektiert und durchsetzt das zweite Hologramm 26, dessen verschlüsselte Information wiederum auf der Detektorrnatrix 6 abgebildet wird. Die aus dem Hologramm 26 auftretende nullte Beugungsordnung 10" wird am Spiegel 8b reflektiert, durchsetzt ungestört die Apertur 36, wird am Spiegel 5b reflektiert und durchsetzt das dritte Hologramm Ic, dessen verschlüsselte Information wiederum auf der Detektormatrix 6 abgebildet wird. Der gleiche Vorgang wiederholt sich bei den Hologrammen 2c und 2d, deren verschlüsselte Informationen in gleicher Weise in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten auf der Detektormatrix 6 abgebildet werden. Die entsprechenden Strah- lungsanteile nullter Ordnung werden mit 10', 10", 10'", 10"" und die an der Abbildung beteiligten Anteile mit R 0 bezeichnet

Es ist bekannt, daß verschiedene Arten von Hologramme verschiedene Wirkungsgrade aufweisen. Für die vorliegende Erfindung werden Hologramme mit relativ niedrigen Wirkungsgraden verwendet, die zwischen 0,01% und 4% liegen. Die Intensität der aus der nullten Beugungsordnung bestehenden Strahlen wird in den einzelnen Hologrammen nur um geringfügige Beträge verkleinert, die so bemessen sind, daß die Intensität des aus der nullten Beugungsordnung bestehenden Strahls 10'" ausreicht das letzte Hologramm 2d so auszuleuchten, daß die Detektoren 7 der Detektorma'rix 6 ansprechen und daß die Energie des *o das letzte Hologramm verlassenden Strahls der nullten Beugungsordnung unterhalb der Ansprechgrenze der Detektoren 7 liegt Die Lichtquelle 11 zur Erzeugung von Lichtimpulsen wird so betrieben, daß die Impulse eine Intensität von etwa 10 bis 100 Watt aufweisen, « wodurch die Verluste beim Durch tr; :t durch sämtliche Hologramme berücksichtigt werden. Da die am Ausgang der einzelnen Detektoren auftretenden Signale auch unter diesen Umständen starken Schwankungen unterworfen sein können, wird eine Anordnung zur so automatischen Verstärkungssteuerung vorgesehen, durch die die Ausgangssignale auf das jeweils erforderliche Niveau gebracht werden. Die an den Ausgängen der Detektormatrix 6 angeordneten Verstärker sind ihrerseits mit Adressenselektoren verbun- den, durch die der Zugang zu jeder beliebigen Gruppe von Signalmustern bewirkt werden kann.

Zur Veränderung der Laufzeit des Lichtsegments 10 bzw. zur Bestimmung der Zeitpunkte seines Durchtritts durch die einzelnen Hologramme kann die Relativlage der Spiegelebene 4 in bezug zur Hologrammebene i eingestellt werden. Dies wird durch eine Anordnung bewirkt, die aus einem die Spiegelebene 4 aufnehmenden Träger 4a, zwei Führungsbolzen Ac und einer Schraubenspindel Ab besteht, durch die die Laufzeit des Lichtsegementes vergrößert oder verkleinert werden kann.

Der in Fig.2 dargestellte optische Datenspeicher

enthält eine Hologrammebene 1', in der Hologramme Ua bis Wg angeordnet sind. Beiderseits dieser Hologramme sind Detektormatrizen 6R und 6L vorgesehen, die der in F i g. 1 dargestellten Lichtdetektormatrix 6 entsprechen. Die Detektormatrizen 6Ä und SL weisen Spiegel 18a bis 18c/ und 15a bis 15c/ auf, die derartig in bezug aufeinander und auf die Hologramme Ha bis Wg angeordnet sind, daß das Lichtsegment 20 die Hologramme 11a bis Ug in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten durchsetzt, um eine serielle Auslesung der Inhalte dieser Hologramme zu ermöglichen. Beim Durchtritt durch die Hologrammebene Γ bewirkt das Lichtsegment 20 eine Abbildung der Hologramme Ua, 1Ic₁IIe und 1 ig auf die Detektormatrix 6/, während die Hologramme 116, lic/ und 11/auf die Detektormatrix 6R abgebildet werden. Die Richtung der die Abbildung bewirkenden Strahlen sind durch die Pfeile 21a, 216 angedeutet die von den Hologrammen Ha und 116 ausgehen. Auch in dem in F i g. 2 dargestellten Speicher weisen die Detektormatrizen 6Ä und 6L eine Vielzahl von Photodetektoren auf, die auf das täurch das Auslesen der Hologramme erzeugte Lichtmusttr ansprechen. Jede der Detektormatrizen erzeugt Ausgangssignale, die diesen verschlüsselten Informationsmustern entsprechen. Diese Ausgangssignale werden durch Leseverstärker verstärkt deren Ausgänge mit an sich aus der Computertechnik bekannten Adressenselektoren verbunden sind, mit deren Hilfe ein Zugriff zu jedem beliebigen Muster oder zu jeder beliebigen Gruppe von verstärkten elektrischen Signalen möglich ist

Es ist selbstverständlich auch möglich, die in F i g. 1 dargestellte Anordnung zur Veränderung der Laufzeit des Lesestrahls auf den in Fig.2 dargestellten Datenspeicher sinngemäß zu übertragen. Diese Anordnung kann entweder die Detektormatrizen 6L, 6R oder die Hologrammebene Γ bzw. bestimmte Kombinationen dieser Elemente verschieben, so daß die Zeitpunkte des Durchtrittes des Lichtsegmentes 20 durch die Hologrammebene eingestellt werden können. Weiterhin können die Spiegel 15a bis 15c/ und 18a bis 18</ auf besonders verschiebbaren Trägern angeordnet werden, um weitere Einstellmöglichkeiten zu ermöglichen.

Die an den Ausgängen der Detektormatrizen auftretenden Signale stellen eine Folge von parallelen Informationsblocks dar, die die in den in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten ausgelesenen Hologramme wiedergegeben, jeder dieser Informationsblocks tritt in zeitlich versetzten Zeitpunkten auf und kann durch eine an sich bekannte Adressenkoinzidenzschaltung selektiert und unter der Steuerung eines Auslesetors 29 zum Ausgaberegister 30 übertragen werden. Das Auslesetor 29 wird durch eine Adreßzähler· und Registerschaltung 33 in folgender Weise gesteuert: Die Feststellung des Auftretens von Information im Bereich einer Detektormatrix bewirkt eine Fortschaltung des Zeitgebers 31, der über eine Leitung 32 ein Zeitgebersignai überträgt, das zur Fortschaltung des Adreßzählers und Registers 33 dient, und gleichzeitig ein Positionsabfühlsignal über eine Leitung 34 zur Steuerung der automatischen Verstärkungssteuerungseinheit 35, die die Leseverstärker in Abhängigkeit Von dem jeweils äüsgelesenen Hologramm steuert Die kleinste Verstärkung ist für das erste Hologramm vorgesehen, während beim Auslesen der folgenden Hologramme die Verstärkung in zeitlicher Aufeinand jrfolge erhöht wird. Diese automatische Verstärkungssteuereinheit kompensiert die Energieverluste, die das Lichtsegment beim Durchtritt durch die Anordnung erfährt. Die gesamte Zykluszeit der

Anordnung ist gleich der Laufzeit des Lichtsegmentes 10 durch die vorhandenen Hologramme. Das nächste Lichtsegment wird unmittelbar nach dem Auslesen des letzten Hologramms durch das vorherige Lichtsegment erzeugt

Es ist selbstverständlich auch möglich, anstelle der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen eine Reihe von gegeneinander versetzten Hologrammebenen durch geeignet angeordnete Spiegel vom Lichtseginent durchsetzen zu lassen. Zur Unterdrückung des beim Durchgang durch die einzelnen Hologramme in der nullten Beugungsordnung entstehenden Rauschens kann es zweckmäßig sein, in der Nähe der einzelnen Hologramme Raumfilter anzuordnen.

Es ist bisher möglich gewesen, mit Hilfe von Lasern Impulse zu erzeugen, deren Dauer unter einer Nanosekunde liegt. In der Literaturstelle »Applied Physics Letters«, Vol. 10. Nr. 1. I.Januar 1967, Seiten 16 ff, von J. A. Armstrong wird die Selektion eines einzigen Impulses von der Dauer einer Picosekunde aus einer Reihe derartiger Impulse beschrieben. Mit den in dieser Literaturstelle angegebenen Lehren zum technischen Handeln ist es möglich, Impulsbreiten mit einer Länge von 4 χ ΙΟ-'³ Sekunden zu messen. Obwohl die heute zur Verfugung stehenden Detektoren innerhalb dieser kurzen Zeitintervalle nicht ansprechen können, sondern sich nur zur Verarbeitung von Lichtsegmenten im Nanosekundenbereich eignen, ist es durchaus möglich, bei Entwicklung besserer Detektoren mit dem erfindungsgemäßen optischen Datenspeicher Zugriffszeiten im Bereich von Picosekunden zu erreichen.

Zur Beschleunigung des Zugriffes ist es zweckmäßig, die Lichtdetektoren und die Leseverstärker als integrierte Schaltungen auszubilden. Auch die Auswahlmatrix zum Auslesen der Bitverstärker wird zweckmäßigerweise in integrierter Planarbauweise als Teil der Detektormatrix hergestellt. Die integrierten Verstärker können entweder als lineare Verstärker oder als bistabile Multivibratoren ausgebildet werden. Im letzten Fall muß der Detektor lediglich die zur Änderung des Zustandes des Multivibrators erforderliche Energie aufbringen. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Fotodiode vom PIN-Typ mit einer Empfindlichkeit von 035 μΑ/W bei 6328 A erwiesen, die bei einer einfallenden Strahlung von 9,5 μW und einem Lastwiderstand von 200 Ohm ein Ausgangssignal von 640 μV erzeugt. Dieses Signal reicht aus, einen bistabilen Multivibrator umzuschalten oder durch einen linearen Verstärker zu einem auswertbaren Signal verstärkt zu werden. Geht man davon aus, daß je Bit 10 μW erforderlich sind und daß der Beugungswirkungsgrad bei 4% liegt, so wird zum Auslesen je Bit eine Energie von 250 μ>ν benötigt. Nimmt man fernerhin 50% Verluste der gesamten Anordnung an, so reicht die Energie eines 10 W-Impulses eines impulsbetriebenen Lasers aus, eine Matrix von 20 000 Bits auszulesen.

Zur Veranschaulichung der Randbedingungen sei angenommen, daß beim erfindungsgemäßen optischen Datenspeicher Lichtimpulse von einer Nanosekunde Dauer und zehn Hologrammpositionen verwendet werden. Nimmt mar ferner eine Länge des Lichtweges vom ersten Hologramm zu den Spiegeln von 30cm und zum nächsten Hologramm von 150 cm an, so ergibt sich eine Zeitspanne von 6 Nanosekunden. Die eine Nanosekünde dauernden Lichtimpulse ergeben bekanntlich Lichtsegmente von der Länge von 30 cm, die sich durch die in den F i g. 1 und 2 dargestellten optischen Datenspeicher fortpflanzen. In diesem Fall ergibt sich eine Entfernung von der Hologrammebene 1 zur Detektormatrix 6 von 30 cm und eine Entfernung von der Hologrammebene 1 zur Spiegelebene 4 von 60 cm. Unter diesen Bedingungen müssen die Ausleseselektoren zur Übertragung der ausgewählten Information im Ausgaberegister eine Wiederholungsfrequenz von

6 Nanosekunden zum Übergang von einem Hologramm zum anderen haben. Bei zehn Hologrammen kann der nächste zu erzeugende Lichtimpuls 60 Nanosekunden nach Auftreten des vorherigen Lichtimpulses erzeugt werden, damit sichergestellt wird, daß der vorhergehende Impuls das letzte Hologramm (10) verlassen hat

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Optischer Datenspeicher, zu dessen Auslesen Lichtimpulse verwendet werden, deren Laufzeit durch den Speicher im Vergleich zu ihrer Länge groß ist, dadurch gekennzeichnet, daß längs des Lichtwegs (10) im Speicher mehrere als Hologramme ausgebildete Speicherbereiche (2a, 2b, ...) vorgesehen sind, daß zu jedem Zeitpunkt immer nur ein Hologramm von Lichtimpulsen durchsetzt wird und dabei eine HeU-Dunkel-Matrix rekonstruiert und auf Detektormatrizen (6) abbildet, die allen oder mehreren Hologrammen gemeinsam zugeordnet sind.

2. Optischer Datenspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hologramme (2 bzw. 11) nebeneinander angeordnet sind und auf einem durch Spiegel (5 bzw. 15) zickzackförmig geführten Lichtweg liegen.

3. Optischer Datenspeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hologramme als Transmissionshologramme (2) ausgebildet sind, zwischen denen jeweils Aussparungen (3) für das zurücklaufende ungebeugte Licht vorgesehen sind und daß eine Detektormatrix (6) in einer der Spiegelebenen (8) vorgesehen ist

4. Optischer Datenspeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hologramme als Reflexionshologramme ausgebildet sind, die für das ungebeugte Licht durchlässig sind und daß in beiden Spiegelebenf.n Detektormatrizen (6/, 6R) vorgesehen sind.

5. Optischer Datenspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektormatrix (6) Steuerung» jhaltungen (29, 30, 31, 33, 35) zugeordnet sind, die auswählbare Bereiche der Detektormatrix in den Zeitpunkten aktiviert, in denen der auszulesende Speicherbereich abgebildet wird.

6. Optischer Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der Lichtverluste längs des Lichtwegs die Verstärkung der Detektormatrix (6) automatisch eingestellt wird (Steuerung 35).

7. Optischer Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel (4,8, 15,18) justierbar sind.